利用地质模型和地下资产模型开展城市含水层脆弱性的三维评价:以英格兰西北部诺斯利工业园为例

位于英格兰西北部的诺斯利工业园及其埋设的污水收集网是其下方三叠纪舍伍德砂岩含水层的一个潜在污染源。而此处下面具有弱渗透性的表生沉积物为含水层中地下水的可能污染提供屏障。该研究的目的是开发一个该园区地下表生沉积物的三维模型,用来对地下含水层遭受潜在污染的脆弱性进行定性评价。另一个目的是设计一种将被埋设的公共设施网络融入到三维浅层基础地质模型中的方法。

引言

诺斯利工业园是欧洲最大的工业园区之一,位于英国利物浦西北方6千米处(图1)。工业园及周边的柯比(Kirkby)研究区占地约17平方千米。20世纪30年代至60年代,该地区被皇家军械厂占用,随后作为一个工业园来开发。目前,各种各样的商业和工业组织坐落其中,并且开展了许多获得许可的生产活动。

图1 诺斯利工业园及其周边研究区(红色)位置图

诺斯利工业园地下埋设的基础设施可能处在恶劣的环境中。这些公共设施网可能为污染物迀移到更深的含水层提供了通道。在浅层地下水与下水道、污水管道处在相似水平面的地方,浅层地下水和排水系统之间可能发生相互作用。这些设施的许多部分可能对浅层地下水造成了污染。

浅表沉积物的3D地质模型能够确定浅层地下空间的分布、几何形态和物理性质。将3D模型与地下公共设施数据进行集成可以作为确定地下含水层的相对脆弱性和可能渗漏的公共设施向其中排放情况的工具。这为环境决策的制定和公共设施管理策略的开发奠定了基础,通过公共设施管理策略可以确定:如果劣质污水泄漏,公共设施会对地下含水层造成最高的潜在危险。

浅表地质

研究区大部分地区被广泛分布的第四纪浅表沉积物所覆盖。这些沉积物可分为三大类:即冰川沉积物(主要为冰碛物)、后冰川沉积物(主要为河流成因)、人造地表。

公共设施的分布

研究区下方的公共设施由排污、排水和混合管道形成的网组成。研究区下方的公共基础设施的分布见图2所示。该属性为三维空间中对三维地质模型进行整合和查询提供了必须的高程数据。

图2 诺斯利工业园及周边地区地下公共基础设施的位置和高程(蓝色为高程的低值,橙色和红色为高程的高值)

建模方法

构建三维地质模型是为了确定研究区下方浅表沉积物的分布、几何形态和高程。然后,根据公共设施线段的高程可以查询每个地质单元底部和顶部对应的高程。通过对模型的空间查询,根据被认为具弱透水性的地质单元,可以对可能渗漏的公共设施的相对高程进行定性评价。

三维地质建模

本研究用GSI3DTM建模软件进行研究区内浅表沉积物的地质建模。该软件及其工作流程可以让用户将解译的数字化钻孔数据、数字地形模型(DTM)和数字化地质图整合起来建立三维地质模型,并创建剖面的交叉网格。然后,利用一系列的交叉剖面确定每类地质沉积物的地表和地下分布,并利用计算出的地质模型获得每类地质沉积物的三维分布、几何形态和高程。

公共设施数据的整合

本研究中,对诺斯利工业园内含水层脆弱性的定性评价过程中将冰碛物归为弱透水单元。

根据地表排水沟和污水渠的位置查询了所计算出的顶部和底部高程范围,以及从浅表沉积物的三维模型导出的冰碛物的厚度。根据下伏冰碛物距离这些线段的厚度,在冰碛物顶面之上或顶面内的公共设施线段可能会带来较低的相对污染危险性。

然后设计空间查询来确定埋设的公共设施对冰碛物表面的相对高度,归为三类,分别为冰碛物的上面、下面和内部。如图3所示。

图3 相对于冰碛物的公共设施的高程

结果

通过3D建模展现的浅表地质情况

表1为三维建模的主要浅表单元概要。

表1 三维地质建模显示的浅表地质单元

风化的舍伍德砂岩群

除了表1中所示的浅表沉积物,也对部分风化的舍伍德砂岩基岩进行了建模。该地区的舍伍德砂岩群形成了从疏松砂岩到砂岩基岩的风化剖面。一般来说,在被自然浅表沉积物覆盖的地方,剖面的深度在1.5米至3米之间。这种现象通常被认为是冰水成因的。但是,大家普遍认为二叠纪—三叠纪砂岩的风化通常被保存在冰川沉积物之下。

含水层脆弱性和公共设施危险性排序

对于那些在冰碛物之上或其内部的管线线段,冰碛物有阻止潜在污染物垂直迀移到下伏含水层的能力,这在一定程度上取决于冰碛物的厚度和风化状态。叠加在薄的冰碛物上的管道,相对的潜在危害性可能会大于叠加在厚的冰碛物上的管道。因此,有必要对公共设施的高程与这些设施之下的冰碛物厚度之间的关系进行评价。

在冰碛物之上或其内部的线段,有558条叠加在大于2.5米的冰碛物上,有501条叠加在小于2.5米的冰碛物上(图4)。

图4  公共设施的位置和高程,以及它们下方相应的冰碛物的厚度

结论

三维地质模型可以为确定含水层遭受历史上的土地利用过程中产生的可能污染最脆弱的区域提供定性的科学依据。在诺斯利工业园埋设的公共基础设施可能状况不佳,导致有受到污染的废水从中泄漏。

含水层的脆弱性部分地取决于弱透水性浅表地质物质的厚度与分布。通过在三维环境中对弱透水性沉积物的建模,所得到的面在三维空间中与公共设施模型相交。这样能够发现对下伏含水层构成最大危险性(并形成最高的相对脆弱性)的设施。

这种集成建模方法能使环境决策者对深部含水层危险性最大的公共设施网进行排序。然后,这种优先排序可以用于指导对诺斯利工业园内公共设施网未来的改造升级。

吕鹏 译自:Price Simon James, Terrington Ricky Luke, Ford Jonathan Richard et al. A 3D assessment of urban aquifer vulnerability using geological and buried asset models: a case study from Knowsley Industrial Park, NW England. In: European econference of the International Association for Engineering geology, Madrid, Spain, 15-20 Sept 2008.(朱鹏飞审稿)

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